GPS跟踪载波环matlab代码,高动态gps信号的载波跟踪方案研究及其仿真.doc

高动态gps信号的载波跟踪方案研究及其仿真.doc

1高动态GPS信号的载波跟踪方案研究及其仿真刘晓琴，徐长雷(安徽农业大学经济技术学院，安徽合肥230601)摘要：构造快速可靠的系统仿真平台、实现高动态载波跟踪对GPS接收算法的研究及硬件的设计提供有效的帮助。分析了多普勒频偏对GPS接收机的影响，并讨论了频偏的估计方法，提出了高动态下的自适应设置带宽的联合载波跟踪方案。相位跟踪部分增添了锁定/假锁检测机制，并分析了跟踪系统的各个环节。在Matlab/Simulink环境下，实现了该载波跟踪方案的仿真。结果表明该仿真平台有效、可靠；也表明该方案具有较好的高动态跟踪和数据解调性能。关键字：高动态；载波跟踪；仿真；环路滤波器；科斯塔斯环中图分类号：TN914.43文献标识码：AResearchandSimulationofCarrierTrackingforHigh-DynamicGPSSignalsLIUXiao-qin,XUChang-lei(EconomyandTechnologyInstituteAnhuiAgriculturalUniversity,AnhuiHefei230601)Abstract:Constructingfastandreliablesystemsimulationplatandrealizinghigh-dynamiccarriertrackingprovideseffectivehelptotheresearchofGPSreceivealgorithmsaswellasthedesignofhardware.TheinfluenceofDopplerFrequencyShiftstoGPSreceiverisanalyzed.Anestimationoffrequencyoffsetisdiscussed,andthejointcarriertrackingschemewithadaptivebandwidthdesignedisproposed.Thelocked/false-lockeddetectionmechanismisaddedtothephasetrackingpart,andtheaspectsofthetrackingsystemareanalyzed.ThesimulationofthecarriertrackingonMatlab/simulinkisrealized.Theresultshowstheavailabilityandreliabilityofthisplat,andalsoshowsthebetterhigh-dynamictrackinganddatademodulationperanceofthescheme.Keywords:Highdynamic;Carriertracking;Simulation;LoopFilter;CostasLoop一、引言GPS系统采用的是扩频通信体制，利用L波段的两种载频作载波(两载波L1和L2分别为：1575.42MHz和1227.6MHz)，对伪随机码(C/A码和P码)和导航电文进行扩频调制。而载波同步是扩频通信中的关键技术，在低动态下易于实现，而在高动态环境下，由于卫星的运动引起了载波频偏和C/A码偏移，因多径效应和多普勒频移对码捕获后的载波的提取有很大的影响，可能产生失锁现象，精确提取载波是很难的。所以，高动态下，载波恢复是扩频通信的难点。二、系统构架通常的GPS接收机，常采用Costas环实现载波频率及相位恢复，虽然Costas环对具有较好的抗高斯噪声性能，但对动态多普勒频移的容忍能力较差。为保证GPS接收机在高动态环境下通信的性能，若使用锁相环，就必须提高工作带宽，而必然会降低跟踪能力；若采用锁频环，将在动态性上比锁相环多几dB的信噪比阈值(即跟踪能力)优势[1]，但其跟踪精度相对较差。为了解决这一矛盾，在载波跟踪设计中采用了初始跟踪用动态能力强的四相鉴频器跟踪频率变化，环路滤波器带宽要求宽，能较快地消除大部分多普勒频移的影响；在剩余频差不大的范围内，用热噪声误差小的FLL跟踪使剩余频差相差至很小时，转入Costas环跟踪的方案。当动态性变化时，环路根据设置的门限实现鉴频/鉴相跟踪方式的灵活切换，同时根据多普勒频率自适应估计值灵活地设置环路带宽，而且给Costas环增加了锁定/假锁检测机制。这种跟踪算法的结构如图1所示。其中，FDD是叉积鉴频器，PD为鉴相器，是卡尔曼环路滤波器传递函数，是Costas环()fHs()Fs路滤波器的传递函数，NCO是数控振荡器。三、高动态下多普勒频偏对系统性能的影响普通GPS接收机的动态范围为-5KHz～+5KHz多普勒，加速度为3g；而高动态的加速度为20g,由于各种因素的影响，GPS信号的载频偏差或阶跃有可能达到几十KHz到几百KHz。若多普勒频率=1000Hz，f2则输入的中频信号频率高于本地载波1000Hz，等效于在1ms的相关时间里差了1Hz。经1ms采样求和，当频率差大于1000Hz时，I/Q信号已失去本来意义。则较大的频偏会引起捕获性能的下降。多普勒频偏造成的信号误差恶化系数[2]为:(1)2sin(*())cNdeltfTDdeltf在一定的频偏下，N越大，性能恶化越严重；在N不变下，频偏越大，性能恶化也越重，由多普勒频偏造成的检测概率下降曲线如图2所示。其次，多普勒频偏对相关峰值的影响，所带来的信噪比恶化方程[2]为：(2)10sin(*)2lg[]losSNRdeltfT频偏会造成检测能量的损失，检测概率降低，使信噪比降低(如图3所示)，T为C/A码的周期。四、高动态载波同步方案在码捕获完成后，由于存在较大的多普勒频移，码跟踪和载波同步电路仍不能正常工作，因此，在码捕获完成后，对数字匹配滤波器的输出样本进行处理，完成多普勒频移的估计，将多普勒频移的估计值作为载波同步环中环路滤波器的初始值，从而校正多普勒频移，在运行过程中，根据其值设置环路参数。4.1多普勒频移自适应估计从1ms电文中得到的频率分辨率大约1kHz,对跟踪环来说，这个值太粗糙了，适合跟踪过程的频率必须在几十Hz之内。若在m时刻，1ms电文ｘ(n)中最高频率分量是图2多普勒频偏造成的检测概率下降(N,deltf,Tc)：频偏为deltfHz,N为相关区间，Tc=0.8，s为每个Chipc的信噪比(dB)。检测概率下降c(N,deltf,Tc)f：(128,10,Tc)e：(128,600,Tc)d：(256,10,Tc)c：(256,600,Tc)b：(512,600,Tc)a：(512,5000,Tc)信噪比/dB多普勒频偏(Hz)图3多普勒频偏造成的信噪比恶化图1高动态环境下载波跟踪方案原理图|Hf|f||H数字IF多普勒自适应估计NCO()Fs数字正交下变频频率判决相位判决FDDPD四相鉴频器Hf(s)自适应设置带宽3(k表示输入信号的频率分量)，有DFT输出：(mXk1(2)/0()NjknNnXkxe(3)此时相位为：(4)1Im()()RetanmXkk假设在m时刻之后很短时间